Télédétection

Dans la présente section, je compare les avantages et inconvénients des systèmes passifs et actifs. Je rappelle comment obtenir les grandeurs physiques à partir des intensités observées dans les images avant de présenter les principes de l'analyse des signatures spatiales et spectrales en fonction des paramètres forestiers. Pour éviter la dispersion, je ne présenterai ni les techniques de géo-référencement des images, ni les techniques de corrections géométriques nécessaires à l'utilisation des images radar aéroportées.

3.3.1 Télédétections passive et active

Il faut distinguer les systèmes de télédétection dits ‘passifs’ des systèmes dits ‘actifs’ (qui incluent radar et lidar) car les chaines de traitement et d’analyse pour l’étude des forêts sont complètement différentes. Les premiers sont dépendants de l’éclairement solaire et de l’atmosphère. Suivant l'altitude et la température de la couche atmosphérique, les gaz (H20, CO2, O2, O3) absorbent et les aérosols diffusent plus ou moins le rayonnement solaire. L'atmosphère compromet donc la stabilité temporelle et la cohérence spatiale des mesures optiques. Des méthodes empiriques tentent de corriger les comptes numériques des images et les indices de végétation associés comme le NDVI (correction en relatif) pour permettre de détecter des changements à partir de l'analyse de séries d'images issues du même satellite (Song et al. 2001; Hadjimitsis et al. 2010).

Les instruments actifs émettent leur propre signal et sont capables de mesurer la partie réfléchie par la surface-cible. Dans le cas de système radar, on utilise la matrice de diffusion S qui permet de relier le champ électrique incident Ei et le champ électrique rétrodiffusé Es par l'équation:

�� = �

���

� ��

�� ���

��� ���� �� (Equation 1)

où k est le vecteur d'onde, r la distance instrument-cible, H et V les polarisations. La matrice de diffusion [S] est une matrice 2x2 complexe qui caractérise une surface–cible par la façon dont elle modifie le champ électrique incident lors d'une diffusion. Elle contient donc toutes les grandeurs physiques d’intérêt en vue

de la caractérisation de la cible. Le potentiel des systèmes radar pour l'établissement de méthodes robustes et reproductibles d'estimation de paramètres forestiers apparait vraiment intéressant à tester. Ceci dit, les coûts de développement et de mise en orbite des satellites radar (en raison du besoin d'énergie, de la masse supplémentaire à envoyer, des conflits de bandes d'émission, etc.) sont plus élevés que pour les instruments passifs. Excepté les missions de la navette spatiale SIR-X/XSAR dans les années 90, il n’y a pas d’instrument radar à multiples fréquences en orbite actuellement.

Pour le Lidar, beaucoup de systèmes aéroportés existent alors, qu'à ma connaissance, il n'y a, actuellement, qu'un seul satellite qui embarque un instrument Lidar (ICESAT).

3.3.2 Des comptes numériques aux grandeurs physiques

Pour passer des comptes numériques CN (niveau d'intensité des pixels dans les images) à des grandeurs physiques, des transformations sont nécessaires.

• Pour obtenir des images de réflectance

Les réflectances sont calculées dans chacune des bandes spectrales � de l'image, à partir de la luminance �(Ω�) exprimée en W.m-2.sr-1. Elle correspond à la quantité de flux par angle solide Ω� (en stéradians).

Cette dernière est obtenue en utilisant des coefficients (le gain G, le biais B) de correction généralement fournis dans les fichiers de métadonnées (Eq. 2):

�(Ω

) =� x �� + �

Connaissant l'éclairement solaire moyen �_{�������,�,�} (en W.m-2_{) au niveau du site d'étude pour la date} d'acquisition J à partir, par exemple, des tables de la NOAA, la réflectance mesurée par le capteur satellitaire s'écrit alors avec �_� l'angle zénithal solaire (Eq. 3).

�

(Ω

) =

�������,�,�(cos �_�) (Equation 3)

La valeur obtenue est non corrigée des effets atmosphériques, c’est-à-dire que 1) une zone supposée de propriétés optiques stables n'aura pas la même réflectance d’un jour à l’autre si les conditions atmosphériques ont changé et 2) on ne pourra pas comparer les réflectances de deux zones différentes avant d'appliquer une correction des effets atmosphériques. Des modèles de correction atmosphérique existent comme, par exemple, MODTRAN (Berk et al. 1998) ou 6S (Vermote et al. 1997; Kotchenova et al. 2007). Mais en région tropicale, le paramétrage de ces modèles reste délicat en raison de la variabilité tant spatiale qu’en cumuls des colonnes d'eau ou de teneur en aérosols dans les différentes couches atmosphériques.

Dans mon travail, je me sers des images optiques de deux façons. La première est très basique et s'affranchit totalement d'un calcul de réflectance: c'est de l'interprétation visuelle qui me permet de délimiter des types de surface, comme par exemple un trait de côte (cf. Fromard et al. 2004; Gratiot et al.

2008, etc.). La seconde est une analyse de texture, c’est-à-dire la variation locale des comptes numériques ou des réflectances au sein d’une fenêtre de plusieurs pixels (cf. la méthode FOTO. Proisy et al. 2007). Sous l’hypothèse de conditions d’observation assez homogènes au sein d’une même image, l'analyse de texture reste potentiellement moins dépendante des variations atmosphériques au sein d'une image ou d'une série d'images.

• Pour obtenir des images de coefficients de rétrodiffusion radar

Le coefficient de rétrodiffusion radar �° (m² m-2_{) est l'analogue à la réflectance bidirectionnelle utilisée} dans le domaine optique. C'est le rapport entre le champ rétrodiffusé et le champ incident. Dans le cas d'une cible naturelle étendue, il s'exprime à partir des termes de la matrice [S] (Eq. 1) selon la relation (Eq. 4):

�° =

〈��

�〉

où A est l'aire de la surface ciblée par le faisceau (en mètres) avec p et q égaux à H ou V (polarisations). La moyenne <> réalisée sur plusieurs pixels est nécessaire compte tenu du bruit (dit 'speckle') inhérent aux images radar. Le coefficient de rétrodiffusion est généralement exprimé en décibels (Eq. 5):

�°(��) = 10 ���10�° (dB) (Equation 5)

Il suffit alors d'appliquer des facteurs de corrections fournis dans les fichiers de métadonnées (les données sont fournies maintenant presque systématiquement dans un format CEOS) pour transformer les CN en coefficients de rétrodiffusion.

Différence de phase et degré de cohérence sont d'autres grandeurs utilisées en polarimétrie (pour comparer des signaux de polarisation différente mais acquis par la même antenne) ou en interférométrie (pour comparer des signaux de même polarisation acquis avec un décalage spatial). J'invite le lecteur à se référer à mes résultats obtenus avec la polarimétrie (Mitchell et al. 2005; Mougin et al. 1999; Proisy, 1999; Proisy et al. 2000b; 2001a; 2002) et en interférométrie (Proisy et al. 2000c; Ruiz et al. 2000; Proisy et al. 2001b). Ces documents sont téléchargeables depuis ResearchGate.

Enfin, je conseille d’utiliser le logiciel POLSARPRO disponible en téléchargement gratuit depuis le site de l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Il permet de lire la plupart des données aéroportées et de satellite radar et d’effectuer des analyses en polarimétrie. Il rend obsolète les milliers de lignes de codes développées dans les années 1990 par de nombreux télédétecteurs radaristes (moi compris) et c’est tant mieux.